CN107231215B - 一种并行信道下基于极化码的安全传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种并行信道下基于极化码的安全传输方法，属于物理层安全技术领域。本发明通过根据主信道的信道状态信息优化映射函数实现安全传输，本发明的实质是利用极化码在并行信道下，不同并行子信道排列方式不同会造成极化子信道信息比特位置不同的特点，在极化码编码后加入一个根据主信道信道状态信息优化过的映射函数，将信息比特映射到不同的并行子信道上进行发送，窃听用户不能获得主信道的信道状态因此不能对加密信息正确解码，从而保证信息传输的安全性。对比现有技术，本发明不需要知道窃听信道的信道质量，且可以应用在窃听信道由于主信道的场景中，应用范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及一种安全信息传输方法，特别涉及一种并行信道下基于极化码的安全传输方法，属于物理层安全技术领域。
背景技术
20世纪70年代，Wyner基于信息论方法构建了“窃听信道”模型，如附图1所示，并分析了在不依赖交换密钥的情况下建立几乎完全安全的通信链路的可能性。在Wyner的“窃听信道”模型中，当窃听信道为主信道的退化信道时，窃听者Eve的信道容量小于主信道的信道容量，则发送者Alice和信息接收者Bob之间存在大于零的安全容量；这时，存在某种编码方式，使合法通信者Alice和Bob之间可靠通信，使窃听者Eve获得的信息量为零。
2009年Arikan在一篇文章中提出的极化码编译码方案引起了信道编码界的广泛关注，这是信道编码历史上第一次给出了一种理论上可达信道容量的编译码方案。2010年，E.Hof等人将极化码应用在窃听信道模型中，从安全通信的角度分析了极化码，给出了二进制离散无记忆对称窃听信道的安全容量以及获得安全容量的极化码构造方法。
现有的基于极化码的安全传输方案虽然可以获得安全容量，但是都需要知道Alice和Eve之间的信道状态指示(CSI，Channel Status Indicator)(一部分方案需要知道瞬时CSI，一部分方案需要知道统计CSI)，并且现有方案需要假设窃听信道为主信道的退化信道，而在实际情况中，这种假设不一定成立，即窃听信道和主信道不满足退化关系。
发明内容
本发明的目的是针对基于极化码构造的安全传输方法存在的上述问题，提供一种在并行信道下基于极化码的安全传输方案。该方法能够在完全不知道Alice和Eve之间CSI的情况下实现安全传输，保证信息传输的可靠性和安全性，并且不局限于窃听信道为主信道的退化信道场景中，应用场景更加广泛。本发明的系统模型图如附图2所示，与传统的窃听信道模型相比，本发明的主信道和窃听信道均为并行信道。
本发明的实质是利用极化码在并行信道下，不同并行子信道排列方式不同会造成极化子信道信息比特位置不同的特点，在极化码编码后加入一个根据主信道CSI优化过的映射函数，将信息比特映射到不同的并行子信道上进行发送，由于Eve无法知道主信道CSI，因此Eve无法得到映射函数，从而实现安全传输。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：
设码长为N，信息序列长为K，码率为R＝N/K，并行信道包含J个子信道。一种并行信道下基于极化码的安全传输方法，包括以下步骤：
步骤一、选择信道质量。对J个并行子信道进行M＝N/J次使用，构造出N个极化子信道，计算N个极化子信道的信道质量并进行排序。
步骤二、构造待编码序列u。在N个极化子信道中选取K个信道质量最好的位置放置加密信息，在剩下的N-K个位置放置冻结比特，冻结比特为收发双方均已知的序列，通常选用全零序列。
步骤三、极化码编码。构造生成矩阵
其中B是一个排列运算矩阵，进行比特翻转运算，
n＝log2N。进行极化码编码，即编码序列x＝uGN。
步骤四、设计映射函数并进行映射。设计任意优化的映射函数π(i)＝(j,m)，即N个极化子信道中的第i个极化子信道为第j个并行子信道的第m次使用。通过M次映射，将N个编码比特依次映射到J个并行子信道上准备发送。
步骤五、发送。发送端将映射后的N比特信息依次送到J个并行子信道上进行发送，进行M次操作将N比特全部发送。
步骤六、接收。合法接收者和窃听用户均接收到信息序列，分别记作y和z。
步骤七、极化码译码。合法接收者和窃听用户分别尝试对接收到的信息y和z进行译码。其中，由于合法用户可以根据主信道的CSI得到映射函数π(i)，从而知道信息比特和冻结比特的位置来进行译码，而窃听用户不知道主信道的CSI，因此不能正确译码，从而保证安全传输。
有益效果：
本发明提出的并行信道下基于极化码的安全传输方法与现有技术相比具有以下优点：
(1)相对于现有的极化码安全传输方法，本方法发送端在传输过程中不需要知道任何窃听信道的CSI；
(2)本发明不局限于窃听信道为主信道退化信道的场景中，实际应用场景更加广泛。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为窃听信道模型示意图。
图2为本发明实施例系统模型示意图。
图3为本发明实施例安全编码过程示意图。
图4为本发明实施例实验结果仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明方法的实施方式做详细说明。
设码长为1024，信息序列长为512，码率为
信道为并行加性高斯白噪声(AWGN，Additive White Gaussian Noise)信道，并行信道包含32个子信道，译码方式采用基于列表的串行抵消(SCL，Successive Cancellation List)译码算法，搜素路径L＝32。一种并行信道下基于极化码的安全传输方法，包括以下步骤：
步骤一、信道质量选择。对32个并行子信道进行M＝1024/32＝32次使用，构造出1024个极化子信道，计算1024个极化子信道的信道质量并进行排序。
步骤二、构造待编码序列u。在1024个极化子信道中选取512个信道质量最好的位置放置加密信息，在剩下的512个位置放置冻结比特(全零序列)。
步骤三、极化码编码。构造生成矩阵
其中B是一个排列运算矩阵，进行比特翻转运算，
n＝log21024＝10。进行极化码编码，即编码序列x＝uGN。
步骤四、设计映射函数并进行映射。此处我们选择首尾交替映射的方法，
步骤五、发送。发送端将映射后的1024比特信息依次送到32个并行子信道上进行发送，进行32次操作将1024比特全部发送。
步骤六、接收。合法接收者和窃听用户均接收到信息序列，分别记作y和z。
步骤七、极化码译码。合法接收者和窃听用户分别尝试对接收到的信息y和z进行译码。其中，由于合法用户可以根据主信道的CSI得到映射函数π(i)，从而知道信息比特和冻结比特的位置来进行译码，而窃听用户不知道主信道的CSI，因此不能正确译码，从而保证安全传输。
附图4为结果仿真图，我们分别测试了三种码率下的结果(码率分别为1/2,1/3,1/4)，如图所示，合法用户在合理的工作区间内能够正确译码，保证了可靠性，而窃听用户译码的误块率(BLER，Block Error Rate)在任何信道条件下均接近1(即全部译码失败)，保证了安全性。可以得出结论，窃听用户在不知道主信道CSI的情况下，完全不能译出信息比特，而合法接收者可以根据主信道的CSI得到信道映射函数并正确译码，因此本方法可以实现安全传输。
为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了一个具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。
Claims (1)
1.一种并行信道下基于极化码的安全传输方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、选择信道质量：
对J个并行子信道进行M＝N/J次使用，构造出N个极化子信道，计算N个极化子信道的信道质量并进行排序；
其中，N表示码长；
步骤二，构造待编码序列u：
在N个极化子信道中选取K个信道质量最好的位置放置加密信息，在剩下的N-K个位置放置冻结比特，冻结比特为收发双方均已知的序列；
步骤三，通过下述公式对极化码进行编码：
x＝uGN；
其中B是一个排列运算矩阵，进行比特翻转运算，
n＝log2N；
步骤四，设计映射函数并进行映射：
设计任意优化的映射函数π(i)＝(j,m)，即N个极化子信道中的第i个极化子信道为第j个并行子信道的第m次使用；通过M次映射，将N个编码比特依次映射到J个并行子信道上准备发送；
步骤五、发送：
发送端将映射后的N比特信息依次送到J个并行子信道上进行发送，进行M次操作将N比特全部发送；
步骤六、接收：
合法接收者和窃听用户均接收到信息序列，分别记作y和z；
步骤七、极化码译码：
合法接收者和窃听用户分别尝试对接收到的信息y和z进行译码；其中，由于合法用户可以根据主信道的信道状态指示CSI得到映射函数π(i)，从而知道信息比特和冻结比特的位置来进行译码，而窃听用户不知道主信道的信道状态指示CSI，因此不能正确译码，从而保证安全传输。
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